WO2019046984A1 - Sistema de medición en línea de desgaste de revestimientos y tensión de pernos de molino mediante sensor ecográfico inserto en el extremo rosco de los pernos - Google Patents

Sistema de medición en línea de desgaste de revestimientos y tensión de pernos de molino mediante sensor ecográfico inserto en el extremo rosco de los pernos Download PDF

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Definitions

  • Mining mills are mechanical devices that are used in a stage of mineral processing called “grinding” and that consists in decreasing the size of the mineral that enters the mill that is continuously rotating until obtaining dry particles or pulp of mineral of adequate size for the next processes in the processing chain.
  • the mills are covered by an internal casing resistant to mechanical abrasion and which is composed of smaller and manipulable replaceable elements that are usually made of steel and sometimes also contain rubber elements.
  • the elements of the inner casing are fastened to the outer casing or body of the mill by bolts specially designed for this purpose and inserted into holes in the casing elements and whose thread and nut are outside the body of the mill.
  • the mill bolts are manufactured from selected steels and then subjected to heat treatments that ensure that the bolt supports the mechanical requirement to which it is subjected as a mechanical fastening element, however the end of the bolt that faces the inside of the mill must withstand wear as well as the coating it supports so that usually an element called "block” is installed which extends the bolt and which in turn is designed to withstand abrasion (see figure 2).
  • block an element which extends the bolt and which in turn is designed to withstand abrasion (see figure 2).
  • ball mills in which a set of steel balls perform the action of grinding the ore and also in mills that are generally larger in diameter and capacity in which the grinding process occurs by the action of balls per also by the action of the mineral itself, so that they perform a semi-autogenous milling, which is why they are called SAG mills.
  • the measurement of the state of wear of the casing is a useful fact to make the decision about when the mill will stop to make the coating change. It is also interesting to have information about the tightening of the bolts because the bolt tightening state allows to diagnose the general state of the mill and predict failures. Regarding these issues, wear and stability of the mill shells, there are many theories and operational recipes, however, reliable information is lacking while the mills are operating. In reality, only information from subsequent examinations is available, as there are no sensors that are sufficiently precise and of reasonable cost to implement the operation of the mills.
  • the invention consists in installing, at the threaded end of the bolts that support the coating or inner casing of industrial mills, an ultrasound instrument with the ability to directly measure and transmit in line, the length of the bolts and thereby estimate the state of wear of the inner lining and the tightening tension of the bolts (see figure 1).
  • an ultrasound instrument with the ability to directly measure and transmit in line, the length of the bolts and thereby estimate the state of wear of the inner lining and the tightening tension of the bolts (see figure 1).
  • the tension to which the pin is subjected is a variable that evolves from the tension imposed by the initial tightening (see figure 4) and that tends to fall progressively depending on the different events that occur in its useful life, in particular of traumatic or high-energy events.
  • the idea is to incorporate an ultrasound device into the threaded end of the pin.
  • the ultrasound device emits acoustic wave trains towards the inside of the pin and as a result of wave phenomena such as reflection, refraction, interference and others, it is possible to obtain an echographic or echo spectrum that is interpretable and from which the tension of tightening can be estimated. of the bolt, the length of the bolt and the wear of the inner lining of the mill (see figure 1 and figure 3)
  • the ultrasonic device to be incorporated needs to emit acoustic signals towards the interior of the instrumented bolt, so that there is an energy expenditure associated with the emission of acoustic signals that must be supplied by some source.
  • the period between changes of coatings and mill bolts depends on their level of exploitation, however it is known that the period in question is of the order of months, typically the change of coating and bolts of SAG mills is made twice a year and the change of coating and bolts of ball mills is made once a year.
  • the emission of pulses is of a limited number, it is possible to use commercial batteries.
  • the information generated by (i) the ultrasonic devices installed on the bolts that are installed and rotating with the mill must be transmitted to a (ii) communication manager device with storage capacity and transmission of information that must be installed in a fixed position and at a prudent distance so that the communication with the ecographs installed in the bolts of the mill is feasible.
  • This device must include a high-level communication system, either through a local plant network or other wireless communication system to communicate with (iii) a data analysis and deployment system that may be in a remote location .
  • the device for measuring wear and tension of mill bolts is composed of the following elements:
  • Acoustic wave emitter or speaker which is a device capable of emitting acoustic waves towards the inside of the pin.
  • Acoustic wave receiver or microphone which is a device capable of detecting acoustic signals from the pin.
  • Electronic circuit equipped with an amplification system that provides the necessary power to emit acoustic signals towards the interior of the bolt using the speaker and in turn is capable of translating acoustic signals into electronic signals that the microphone takes from the inside of the bolt.
  • Galvanic battery which is a power source with capacity to supply energy to the ultrasound during the operation time of the pin in the mill.
  • a radiofrequency communication system composed of a transponder (with the ability to coordinate broadcast and reception of communications) and an antenna that is capable of transmitting the information of wear and / or tension of the pin in every occasion in which it is required.
  • FIGURE 1 Components installed in an orifice executed in the threaded end of the instrumented bolt: (E) emitter, (R) receiver, (uC) electronic microcontroller, (- +) galvanic battery and ( ⁇ ) transmission system.
  • FIGURE 2 View of typical mill bolt. The zone of traction is observed (1), (2) the zone of elongation and (3) the block of the pin.
  • FIGURE 3 (1) The external appearance of the bolt. Inside the pin (2) the emitter generates train of pulses, (3) the signal is refracted and reflected and in the interfaces and the refracted wave train generates an interpretable spectrum and the receiver receives the spectrum.
  • FIGURE 4 The tension and wear of a bolt are variables that are measured with the same device, however, the variation of both is perfectly distinguishable one from the other as the wear occurs slowly while the bolt life and the bolt life elapses.
  • Bolt tension on the other hand, varies from its initial value, reduced by traumatic or high-energy events that occur during the bolt's useful life.
  • FIGURE 5 The bolt tension is approximately proportional to a

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Abstract

Sistema de medición en línea de desgaste de revestimiento y tensión de pernos de molino que incorpora en el extremo roscado de un número determinado de pernos un emisor de ondas acústicas, un receptor de ondas acústicas, un circuito electrónico, una fuente de energía y un dispositivo de comunicación, en las inmediaciones del molino un dispositivo administrador de comunicaciones y acumulación de datos y en una posición remota un sistema de procesamiento y despliegue de datos.

Description

Los molinos de aplicación minera son artefactos mecánicos que se utilizan en una etapa de procesamiento de mineral denominada "molienda" y que consiste en disminuir el tamaño del mineral que ingresa al molino que está rotando continuamente hasta obtener partículas secas o pulpa de mineral de tamaño adecuado para los procesos siguientes en la cadena de procesamiento. Los molinos está recubiertos por una carcasa interior resistente a la abrasión mecánica y que está compuesta de elementos reemplazables más pequeños y manipulables que normalmente son de acero y algunas veces contienen también elementos de goma. Los elementos de la carcasa interior se sujetan al cuerpo o carcasa exterior del molino mediante pernos diseñados especialmente para este propósito y que se insertan en orificios de los elementos de carcasa y cuyo hilo y tuerca quedan al exterior del cuerpo del molino.
Los pernos de molino son fabricados de aceros seleccionados y luego sometidos a tratamientos térmicos que garantizan que el perno soporte la exigencia mecánica a la que está sometido como elemento de fijación mecánica, sin embargo el extremo del perno que da hacia el interior del molino debe soportar desgaste al igual que el recubrimiento que soporta de manera que usualmente se instala un elemento denominado "taco" que extiende el perno y que a su vez está diseñado para soportar la abrasión (ver figura 2). En la industria minería se utilizan molinos de bolas en que un conjunto de bolas de acero ejecutan la acción de moler el mineral y también en molinos que en general son de mayor diámetro y capacidad en que el proceso de molienda ocurre por la acción de bolas per también por la acción del propio mineral, de manera que efectúan una molienda semi autógena, por lo que se denominan molinos SAG.
Debido a la acción abrasiva de la operación del molino resulta necesario cambiar periódicamente el recubrimiento interior pues este se desgasta. Teniendo en consideración el alto beneficio de la operación continua del molino y/o el alto costo de las detenciones, la medición del estado de desgaste de la carcasa resulta un dato útil para tomar la decisión acerca del momento en que se detendrá el molino para hacer el cambio de recubrimiento. También es interesante disponer de información acerca del apriete de los pernos pues el estado de apriete de pernos permite diagnosticar el estado general del molino y predecir fallas. Respecto de estos temas, desgaste y estabilidad de las carcasas de molinos, existen muchas teorías y recetas operacionales, sin embargo se carece de información fidedigna de esto mientras los molinos están operando. En realidad sólo se tiene información de exámenes posteriores pues no existen sensores suficientemente precisos y de costo razonable para instrumentar la operación de los molinos.
PROBLEMA TÉCNICO El problema técnico que busca resolver este invento es medir directamente el estado de desgaste del recubrimiento interior de molinos y de la tensión de apriete de los pernos, sin necesidad de detener e interrumpir su operación. ESTADO DEL ARTE
Aun cuando el problema técnico es conocido desde hace décadas, no se han implementados soluciones de costo razonable al problema técnico planteado. A continuación comentamos algunas propuestas de solución: · Una posibilidad es detener el molino y medir con instrumentos mecánicos, pero el alto costo de las detenciones es un grave inconveniente de esta alternativa.
• Otra posibilidad más sofisticada es detener el molino y medir con instrumentos ópticos o analizadores de imágenes.
· Detener el molino y medir con sensores ecográficos portátiles, el largo de los pernos y el espesor de las piezas de desgaste, pero el alto costo de las detenciones es un también un grave inconveniente de esta alternativa.
• Una posibilidad de instrumentar el desgaste del molino es perforar axialmente los pernos e insertar en la perforación un elemento que, en función del desgaste del perno, vaya indicando su desgaste. La indicación del desgaste del molino a través de estos pernos perforados, se ha implementado mediante indicadores luminosos y también se han implementado sistemas de transmisión de radiofrecuencia hacia un sistema de procesamiento y despliegue de datos, sin embargo el alto costo de efectuar la perforación en pernos largos hace que esta solución sea poco práctica y no se encuentre extendida en la industria. • Respecto de la tensión de los pernos se han aplicado arandelas o golillas con strain gauge o dispositivos para medir tensión de apriete del perno. Esta solución es de alto costo y se utiliza de manera muy marginal en la industria.
EL INVENTO El invento consiste en instalar en el extremo roscado de los pernos que sostienen el recubrimiento o carcasa interior de molinos industriales, un instrumento ecográfico con capacidad de medir directamente y de transmitir en línea, el largo de los pernos y con ello estimar el estado de desgaste del recubrimiento interior y la tensión de apriete de los pernos (ver figura 1 ). APLICACIÓN INDUSTRIAL
La tensión a la que el perno está sometido es una variable que evoluciona desde la tensión que le es impuesta por el apriete inicial (ver figura 4) y que tiende a bajar progresivamente en función de los distintos eventos que ocurren en su vida útil, en particular de eventos traumáticos o de alta energía. Para medir la tensión se mide el largo total del perno y se aplica el hecho de que en dentro del límite elástico, la tensión del perno es proporcional a la elongación, con una constante de proporcional denominada módulo de Young que se obtiene de ensayos a pernos similares. T = E e, (E=Módulo de Young) (ver figura 5).
Por su parte, el desgaste del perno ocurre en la zona interior del molino y es una variable que evoluciona de manera lenta y constante en el tiempo (ver figura 4).
A continuación se mencionan aspectos respecto de la aplicación industrial del invento. TÉCNICA DE MEDICIÓN
La idea es incorporar un dispositivo ecográfico en el extremo roscado del perno. El dispositivo ecográfico emite trenes de onda acústicos hacia el interior del perno y a consecuencia de fenómenos ondulatorios como, reflexión, refracción, interferencia y otros, es posible obtener un espectro ecográfico o eco que es interpretable y a partir del cual se puede estimar la tensión de apriete del perno, el largo del perno y el desgaste del recubrimiento interior del molino (ver figura 1 y figura 3)
FUENTE DE ALIMENTACIÓN El dispositivo ecográfico a incorporar necesita emitir señales acústicas hacia el interior del perno instrumentado, de manera que existe un gasto de energía asociado a la emisión de señales acústicas que debe ser suministrado por alguna fuente. A su vez el periodo entre cambios de recubrimientos y pernos de molino depende de su nivel de explotación, sin embargo es sabido que el periodo en cuestión es del orden de meses, típicamente el cambio de recubrimiento y pernos de molinos SAG se efectúa dos veces al año y el cambio de recubrimiento y pernos de molinos de bolas se efectúa una vez al año. Considerando un requerimiento de información discreto, es decir que la emisión de pulsos sea de un número limitado, es posible utilizar pilas o baterías comerciales. TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN
La información generada por (i) los dispositivos ecográficos instalados en los pernos que están instalados y rotando con el molino debe ser transmitida a un (ii) dispositivo administrador de comunicaciones con capacidad de almacenamiento y transmisión de información que debe estar instalado en una posición fija y a una distancia prudente para que la comunicación con los ecógrafos instalados en los pernos del molino sea factible. Este dispositivo debe incluir un sistema de comunicación de alto nivel, ya sea a través de una red local de la planta u otro sistema de comunicación inalámbrica para comunicarse con (iii) un sistema de análisis y despliegue de datos que puede estar en una posición remota.
CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO ECOGRÁFICO
El dispositivo de medición de desgaste y de tensión de pernos de molino está compuesto por los siguientes elementos:
1 . Emisor de ondas acústicas o parlante, que es un dispositivo capaz de emitir ondas acústicas hacia el interior del perno.
2. Receptor de ondas acústicas o micrófono, que es un dispositivo capaz de detectar señales acústicas desde el perno.
3. Circuito electrónico equipado con un sistema de amplificación que suministra la potencia necesaria para emitir señales acústicas hacia el interior del perno usando el parlante y a su vez es capaz de traducir señales acústicas en señales electrónicas que toma el micrófono desde el interior del perno.
4. Pila galvánica, que es una fuente de energía con capacidad para suministrar energía al ecógrafo durante el tiempo de operación del perno en el molino.
5. Un sistema de comunicación por radiofrecuencia compuesto por un transpondedor (con capacidad de coordinar emisión y recepción de comunicaciones) y una antena que es capaz de transmitir la información de desgaste y/o tensión del perno en cada ocasión en que es requerido.
DESCRIPCIÓN DE FIGURAS
FIGURA 1 : Componentes instaladas en un orificio ejecutado en el extremo roscado del perno instrumentado: (E) emisor, (R) receptor, (uC) micro controlador electrónico, (- +) pila galvánica y (Á) sistema de transmisión.
FIGURA 2: Vista de perno de molino típico. Se observa (1 ) la zona de tracción, (2) la zona de elongación y (3) el taco del perno.
FIGURA 3: (1 ) El aspecto exterior del perno. En el interior del perno (2) el emisor genera tren de pulsos, (3) la señal es refractada y reflejada y en las interfases y el tren de onda refractado genera un espectro interpretable y el receptor recibe el espectro.
FIGURA 4: La tensión y el desgaste de un perno son variables que se miden con el mismos dispositivo, sin embargo, la variación de ambas es perfectamente distinguible una de la otra pues el desgaste se produce lentamente mientras transcurre la vida útil del perno y la tensión del perno, en cambio, varía desde su valor inicial reduciéndose por eventos traumáticos o de alta energía que ocurren durante la vida útil del perno.
FIGURA 5: La tensión del perno es aproximadamente proporcional a una
deformación medible, dentro del límite elástico.

Claims

REIVINDICACIONES
Sistema de medición en línea de desgaste de revestimiento y tensión de pernos de molino,
CARACTERIZADO por incorporar (a) en el extremo roscado de un número determinado de pernos, un emisor de ondas acústicas, un receptor de ondas acústicas, un circuito electrónico, una fuente de energía y un dispositivo de comunicación; (b) en las inmediaciones del molino, un dispositivo administrador de comunicaciones y acumulación de datos y (c) en una posición remota, un sistema de procesamiento y despliegue de datos.
Sistema de medición en línea de desgaste de revestimiento y tensión de pernos de molino, como en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO por incorporar en el extremo roscado de un número determinado de pernos, un solo dispositivo que se comporta como emisor y como receptor de ondas acústicas en distintos momentos del tiempo.
Sistema de medición en línea de desgaste de revestimiento y tensión de pernos de molino, como en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO por incorporar en el extremo roscado de un número determinado de pernos, una batería galvánica como fuente de energía.
4. Sistema de medición en línea de desgaste de revestimiento y tensión de pernos de molino, como en la reivindicación 1 , CARACTERIZADO por incorporar en el extremo roscado de un número determinado de pernos, como dispositivo de comunicación, un dispositivo de comunicación de radio frecuencia.
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